CN105932409B - 一种小型化开倒e型槽式超宽带毫米波微带天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种小型化开倒E型槽式超宽带毫米波微带天线。包括方形介质基板(1)、位于方形介质基板一侧的接地面(2)、位于方形介质基板另一侧的辐射贴片(3)、以及馈线(7)，其特征是：所述的辐射贴片的外轮廓为矩形，辐射贴片中开有倒E型槽(4)和两个圆角矩形槽(5)，两个圆角矩形槽位于倒E型槽的下方。本发明具有辐射特性好，增益高，尺寸小、剖面低、易共形、易集成、加工简单、成本低等优点。非常适合5G移动通信大规模组网。

Description

一种小型化开倒E型槽式超宽带毫米波微带天线

技术领域

本发明涉及的是一种移动通信系统应用的天线。

背景技术

目前，4G移动通信技术已经成功商用，人们得以享受更快的数据传输速度以及更好的通话质量。随着时代的进步与发展，移动生活逐渐在人们生活中占据主导地位，另外，物联网以及VR概念的兴起使得未来人物交互与物物相连成为发展趋势，其对信息的需求量将急剧上升，并要求有更高效、低时延、安全的移动通信网络。而当前的移动通信技术面临着频谱资源紧张、系统容量受限等问题，远远达不到未来移动互联的需求。因此，第五代(5G)移动通信技术的发展提上了日程。对于目前已经提上日程的第五代(5G)移动通信技术，需要满足数据高速传输、超低时延、超高带宽、超高容量等需求。作为下一代移动通信系统，其采用超宽带毫米波系统进行信号传输，5G移动通信的理论传输速度可达数10Gbps，是当前4G移动通信的传输速率的数百倍，可以为未来虚拟现实、物联网大数据传输应用提供有效保障。天线是移动通信系统信息收发关键组件，其性能的好坏直接决定着移动通信系统可靠性的优劣。设计出能够满足数据高速传输、超低时延、超高带宽、超高容量、大规模组阵等特性的天线是发展5G移动通信系统的必经之路。考虑到移动终端向“小”和“薄”发展的趋势，覆盖低频波段的天线需要具有小型化、多频段的特点，在通信终端中以最少的天线覆盖当前移动通信所用的所有波段尤为重要。

与本发明较接近的背景技术之一：开槽式圆形微带天线(申请号：201520154695.9)的专利文件中，公开的天线的开槽边缘为多个椭圆弧形，且左右结构对称。

与本发明较接近的背景技术之二：圆形开槽超宽带微带贴片天线(申请号:201420815955.8)的专利文件中，天线贴片中央挖有圆形槽孔，贴片整体为圆形，且贴片外围均匀分布半圆形锯齿凸起。

与本发明较接近的背景技术之三和四：双圆弧开槽式微带天线(申请号:201320165280.2)和花朵形共面超宽带微带天线(申请号:201310297741.6)的专利文件中，公开的天线外形整体为圆形。背景技术之三中，天线在圆形贴片上上下两侧各开一段圆角弧形槽，且在圆形贴片外左右两侧各有一圆弧形耦合微带线，与圆形贴片并不相连；背景技术之四中，天线由3个围边圆形内边尖角的不同半径的辐射贴片组成，中央为六角尖角边槽孔，形状类似花朵。

与本发明较接近的背景技术之五和六：一种小型超宽带微带天线(《微波学报》2011(27))和一种新型的具有带阻特性的超宽带微带天线(《电子元件与材料》2012(31))中，公开的天线整体为矩形贴片，但其内部开槽类似于倒C型。背景技术之五中开槽上方为直边，下方为一圆弧边，中央枝节与开槽形状类似；背景技术之六中文献开槽的上下两边由对称的未满半圆的圆弧形构成，其中央枝节为单个圆形。

与本发明较接近的背景技术之七：新型超宽带微带天线的研究与设计(电子科技大学2009(5))中，天线整体为矩形贴片，但其开槽左右两边为直边，上下两边为弧形边。且其中央为椭圆形枝节，枝节内部开有门形槽，槽各边为直边。另外天线利用阶梯状匹配线与馈线相连。

发明内容

本发明的目的在于提供一种输入阻抗稳定、增益高的小型化开倒E型槽式超宽带毫米波微带天线。

本发明的目的是这样实现的：

包括方形介质基板1、位于方形介质基板一侧的接地面2、位于方形介质基板另一侧的辐射贴片3、以及馈线7，所述的辐射贴片的外轮廓为矩形，辐射贴片中开有倒E型槽4和两个圆角矩形槽5，两个圆角矩形槽位于倒E型槽的下方。

本发明还可以包括：

1、所述倒E型槽整体呈圆形，中间有枝节，除枝节外的轮廓线由若干第一圆弧连接组成，倒E型槽的矩形枝节两端向中间靠拢。

2、辐射贴片与馈线之间设置渐进半圆形铜片6，渐进半圆形铜片6直边端连接辐射贴片3、直边对侧的圆弧端顶点连接馈线7。

3、所述枝节整体为圆形结构，外侧为由若干第二圆弧连接组成的边，上部开一矩形槽口，且枝节左右两端结构对称。

4、所述矩形槽口的宽为枝节外侧单个第一圆弧边所对应弦长，深至枝节圆心处。

5、所述圆角矩形槽上下两边为直边，左右两边为圆弧边，两圆角矩形槽位置对于辐射贴片中轴对称。

本发明针对5G移动通信系统天线所需数据高速传输、超低时延、超高带宽、超高容量、大规模组阵等特性的特点，提供了一种小型化开倒E型槽式超宽带毫米波微带天线。其结构特点主要包括：

(1.1)本发明天线包括方形介质基板，接地面，矩形辐射贴片，倒E型槽，圆角矩形槽，渐进半圆形铜片，馈线；方形介质基板下表面设接地面，上表面设有矩形辐射贴片，渐进半圆形铜片。矩形辐射贴片中央开有倒E型槽，下部两侧挖有两个对称的圆角矩形槽。渐进半圆形铜片连接矩形辐射贴片与馈电线。辐射贴片采用对称结构，左右两侧以中间轴线对称。

(1.2)倒E型槽除中间枝节外，其余各边由多个圆弧组成。中间枝节整体为圆形结构，外侧为圆弧边，上部开一矩形槽口，且此枝节左右两端结构对称，两端向中间收拢，倒E型槽整体形成类似于向日葵花朵的结构。此结构可延长电流的传导路径，还增加多个谐振点，有效拓宽带宽，并利于实现天线的小型化。

(1.3)采用一种新型的馈电方式，将馈线与半圆金属片作为馈电部分，此铜片直边端朝上连接矩形辐射贴片，直边对面圆弧边顶点连接馈电线。半圆金属片属于渐进结构，不仅能够拓宽频带，还能尽量减少与之相连的微带线所产生的辐射对方向图的影响。

(1.4)辐射贴片下部两侧各挖有一个对称的圆角矩形槽，圆角矩形槽上下两边为直边，左右两边为圆弧边，且两圆角矩形槽位置对于矩形辐射贴片中轴对称。圆角矩形槽起到改变表面电流，改变辐射贴片的阻抗特性，从而达到调节辐射特性的作用。

本发明天线的倒E型槽结构及辐射贴片两侧挖圆角矩形槽结构使得天线输入阻抗稳定、增益较高。另外天线结构简单，其基板采用Rogers RT/duroid 5880，且尺寸为24mm×18mm×0.48mm，使得天线具有尺寸小，制造简单，成本低，易于集成，适合大规模组阵等特点。

与背景技术之一相比，本发明的天线的开槽边缘与中央枝节不同，本天线的开槽边缘为圆弧形。且弧形个数也不同。另外本天线中央枝节有一上开口，开口边为直边。

与背景技术之二相比，本天线整体呈矩形，挖有倒E型槽后，中央有枝节。另外背景技术之二的天线利用阶梯状匹配线与馈线相连，而本天线采用半圆形结构与馈线相连进行馈电。

本发明的天线利用新型倒置E型槽，使得天线获得了超宽带性能，克服了传统微带天线带宽窄的缺点。采用新的馈电方式——半圆渐进馈电，不仅可以改善天线的辐射特性，还能降低阻抗匹配的难度。本天线辐射贴片开有圆角矩形槽，大大的降低了天线的VSWR，还解决了毫米波微带天线容易出现的辐射凹陷，保证了天线在整个频段内辐射方向图的稳定性。本天线体积小，加工简单、成本低，非常适合5G移动通信大规模组网。

附图说明

图1(a)为本发明的天线的结构示意图；

图1(b)为图1(a)的俯视图；

图2是辐射贴片与馈电部分的结构示意图；

图3是本发明的天线的电压驻波比；

图4是本发明的天线的输入阻抗；

图5是本发明的天线的频率增益图；

图6是半圆金属片不同尺寸时天线的电压驻波比；

图7(a)是未加圆角矩形槽时天线的E面辐射方向图；

图7(b)是未加圆角矩形槽时天线的H面辐射方向图；

图8(a)是加有圆角矩形槽后天线的E面辐射方向图；

图8(b)是加有圆角矩形槽后天线的H面辐射方向图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

结合图1(a)和图1(b)，天线包括方形介质基板1、接地面2、矩形辐射贴片3、倒E型槽4、圆角矩形槽5、渐进半圆形铜片6和馈线7，方形介质基板1下表面设接地面2、上表面设有矩形辐射贴片3和渐进半圆形铜片6，矩形辐射贴片3中央开有倒E型槽4、下部两侧挖有两个对称的圆角矩形槽5，渐进半圆形铜片6直边端连接矩形辐射贴片3、直边对侧圆弧端顶点连接馈线7。

结合图2，所述矩形辐射贴片所有结构左右对称。所述倒E型槽整体呈圆形，除中间枝节外，槽的其余各边由多个圆弧组成，左右结构对称，并且倒E型槽的中间枝节两端向中间靠拢，倒E型槽整体形成类似于向日葵花朵的结构。所述中间枝节整体为圆形结构，外侧为多个圆弧边，上部开一矩形槽口，且此枝节左右两端结构对称。所述矩形槽口宽为中间枝节外侧单个圆弧边所对应弦长，深至中间枝节圆心处。圆角矩形槽位于矩形辐射贴片内，矩形辐射贴片左右两侧下部各开一个圆角矩形槽，圆角矩形槽上下两边为直边，左右两边为圆弧边，两圆角矩形槽位置对于矩形辐射贴片中轴对称。半圆形铜片圆弧端朝下直径端朝上，直边端连接矩形辐射贴片，圆弧端顶点连接馈线。

此微带天线主要由接地面、辐射贴片、介质基板、微带馈电组成。所用基板为Rogers RT/duroid 5880，具有低损耗、低介电常数、低吸水性等特点，其介电常数ε_r＝2.2。对于毫米波而言，基板过厚容易受到表面波的影响，从而使天线的效率与辐射特性变差，因此所选基板不能太厚，一般可利用经验公式得出。图1为本天线的基本结构图。其中图1(a)为天线的俯视图，图1(b)为天线的侧视图。基板的长L为24mm，宽W为18mm，厚度H为0.48mm。基板下面为接地面，上面为金属铜辐射贴片。图2给出了天线辐射贴片与馈电部分的结构与尺寸，矩形辐射贴片长度12mm，宽度9mm，厚度0.017mm。由图可知，辐射贴片采用对称结构，中部挖有新型倒E型槽，槽整体呈圆形，半径为3.36mm，其倒置的E型槽的边由弧形取代传统的直边，外侧边各个圆弧半径为1.35mm，中间枝节整体呈圆形，其圆心位于倒E型槽圆心正下方0.95mm处，半径为R3＝2.02mm，中间枝节两边各圆弧半径为R4＝0.81mm，中间枝节上端矩形开口宽1.6mm，深至中间枝节圆心处，中间枝节茎宽1mm。中间枝节两端向中间收拢，不仅可以在有限的体积内延长电流路径，从而有利于实现天线的小型化,而且也有利于形成多个谐振点，以获得超宽带特性。本天线的电压驻波比及输入阻抗如图3和图4，可见此天线具有超宽带特性，VSWR≤1.5时的阻抗带宽为27.6－32.3GHz，且输入阻抗也在此范围内保持稳定。天线频率增益图如图5所示，天线工作在阻抗带宽的大部分频段内都可以获得大于5dBi的增益。

本天线采用一种改进的微带线馈电方式，如图2所示，将馈线与半圆金属片作为馈电部分，组合后对矩形贴片进行馈电，半圆金属片直边端朝上连接矩形辐射贴片，直边对面圆弧边顶点连接馈电线，半圆金属片半径为1.8mm，连接馈线部宽1mm，半圆金属片与连接馈线部总长4.5mm。半圆金属片属于渐进结构，不仅能够拓宽频带，还能尽量减少与之相连的微带线所产生的辐射对方向图的影响。图6为半圆金属片半径不同时的VSWR曲线图。可看出，此半径取不同值时，天线的VSWR曲线形状类似，所不同的是纵坐标的位置。因此，只需利用HFSS对半圆金属片半径进行扫描优化，就可以获得天线的阻抗匹配，获得最佳性能。

辐射贴片下部的圆角矩形槽的作用是改变贴片表面电流分布，从而改变天线的辐射特性。图7(a)-图7(b)是在没有圆角矩形槽的情况下，天线的远场辐射特性。由图可知，天线的半功率波束宽度较宽，并且后向辐射非常小，符合基站天线的有关标准要求，也可应用在移动终端中。但是，天线的方向图不稳定，其在31GHz时E面辐射方向图发生下陷，增益在8～25deg和-28～-50deg低于0dBi；而对于28GHz和29GHz，此区域的增益均大于3dBi。这说明，当此天线作为基站天线单元时，基站工作在31GHz时的信号覆盖将出现盲区，影响移动通信的质量。针对此现象本天线采用加圆角矩形槽的方式进行解决。加有圆角矩形槽的辐射方向图如图8(a)-图8(b)所示，可见，辐射方向图E面中，30GHz与31GHz的情况明显变好，波束宽度较宽且稳定。另外，H面的方向图也有所改善，增益在一定程度上有所提升。对天线进行加槽处理时，这里的槽起到寄生电容的作用。本天线圆角矩形槽宽0.3mm、长2.3mm，且两槽中心坐标分别为(3.65mm，4mm，0.48mm)和(3.65mm，-4mm，0.48mm)，此时本结构天线的各性能最佳。

Claims (6)

1.一种小型化开倒E型槽式超宽带毫米波微带天线，其特征是：包括方形介质基板(1)、位于方形介质基板一侧的接地面(2)、位于方形介质基板另一侧的辐射贴片(3)、以及馈线(7)，其特征是：所述的辐射贴片的外轮廓为矩形，辐射贴片中开有倒E型槽(4)和两个圆角矩形槽(5)，两个圆角矩形槽位于倒E型槽的下方；

所述倒E型槽整体呈圆形，中间有枝节，除枝节外的轮廓线由若干第一圆弧连接组成。

2.根据权利要求1所述的小型化开倒E型槽式超宽带毫米波微带天线，其特征是：所述枝节整体为圆形结构，外侧为由若干第二圆弧连接组成的边，上部开一矩形槽口，且枝节左右两端结构对称。

3.根据权利要求2所述的小型化开倒E型槽式超宽带毫米波微带天线，其特征是：所述矩形槽口的宽为枝节外侧单个第一圆弧边所对应弦长，深至枝节圆心处。

4.根据权利要求1至3任何一项所述的小型化开倒E型槽式超宽带毫米波微带天线，其特征是：辐射贴片与馈线之间设置渐进半圆形铜片(6)，渐进半圆形铜片(6)直边端连接辐射贴片(3)、直边对侧的圆弧端顶点连接馈线(7)。

5.根据权利要求1至3任何一项所述的小型化开倒E型槽式超宽带毫米波微带天线，其特征是：所述圆角矩形槽上下两边为直边，左右两边为圆弧边，两圆角矩形槽位置对于辐射贴片中轴对称。

6.根据权利要求4所述的小型化开倒E型槽式超宽带毫米波微带天线，其特征是：所述圆角矩形槽上下两边为直边，左右两边为圆弧边，两圆角矩形槽位置对于辐射贴片中轴对称。